Les énergies décarbonées

Hervé NifeneckerSLC, GASN(ARCEA)

Energies sans rejets de CO2-Renouvelables

• Hydro-électricité• Eolien• Solaire PV et thermodynamique • Biomasse• Solaire Thermique• Géothermie• Energies « marines »

Energies sans rejets de CO2

Fossiles avec Capture et Séquestration du CO2Nucléaire• Fission « classique »• Surgénérateurs• Fusion

I. Capture et stockage du CO2

Fossiles sans CO2• Capture du CO2

– Post-combustion C+O2→CO2+Energie– Pré-combustion C+H2O →H2+CO

H2+1/2O2 →H2O+EnergieCO+1/2O2 →CO2+Energie

– Elimination du N2 avant (oxy-combustion)• Séquestration

– Anciens gisements pétroliers et gaziers (250 Gt?)– Anciennes mines de charbon (5 GtC)– Nappes salines aquifères (250 GtC? )

Fossiles sans CO2

•Deux expériences: Sleipner, Weyburn•Surconsommation énergétique: 8 à 15% (MEDD)•Surcoût kWh: 50 à 100% (Charbon pulvérisé), 35 à 50%(gaz)•Surcoût investissement: 80 % (Charbon pulvérisé), 100%(gaz)

Energies renouvelables

Le potentiel annuel mondial des énergies renouvelables raisonnablement mobilisable

actuellement (en MTEP)

3365223060200875TOTAL

1990149018162320PAYS DU SUD

13757404238555PAYS DU NORD

TOTALBIOMASSEEOLIENSOLAIREHYDROPOTENTIEL ANNUEL

Disponibilité de la ressourceTaux d'utilisation pour la production d'électricité

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Nucléairebase(USA)

Nucléaire, moyenneFr

Hydro (barrages) Solaire Eolien

Pour

cen

t

Hydroélectricité

Avantages

Problèmes

Actifs

Potentiel

carte

Exemples

Step

Turbines

3G Turbine

3G Barrage

Photo

Puissances unitaires : de 10 kW à 3 MW

EOLIEN

2000

Eolien/fossiles: contribution 2005 à la production d’électricité et évolution 2005/2004

21,149,8172,269,1Europe ouest

2,72,20,50,9Suède10,4570,21France88,4192,21,34Grèce

28%8710,72,12,1Pays bas77,2270,82,34Italie

26%74,8500,72,9UK24%73,30,4186,6Danemark

24,50%62,430720,7Espagne17,90%61,544,326,5Allemagne

% HEPP% fossiles% Evol.

2005/2004%

productionTWh

69,1 TWh pour 37413 MW installés 1850 h équivalent pleine puissance

Les éoliennes off shore modernes

Rendement

Parcs éoliens

• Vitesse de sortie du vent sous le vent: V/3• Distance entre éolienne: environ 5

diamètres des pales• Distance entre rangées: 3 à 9 D• Exemple: Eoliennes de 1 MW espacées de

250 m, et en rangées espacées de 250 m soit 0,016 kW/m2 (10 fois moins que PV)

Puissance éolienne E-ON sur un an (max théorique: 7.558 MW)

Puissance installée: 33.200MW dont éolien 7.558 MW (23%)Production: 271.300 GWh dont éolien 11.300 GWh (4,16%)

Max6234 MW

Min8 MW

Puissance éolienne délivrée: détail

Pente: 1000 MW/h

Fiabilité de prévision de la puissance éolienne

Eolien en France: un bon investissement? Pour qui?

– Eoliennes terrestres:année 1 à 10 : 82 €/MWhannée 10 à 15 : 82 si moins de 2400 h/an

: 82 à 68 de 2400 à 2800 h/an: 82 à 28 de 2800 à 3600 h/an

: 28 à plus de 3600 h/an

– Outre-mer: : 110 €/Mwh– Eoliennes marines:

année 1 à 10 : 130 €/MWh année 10 à 20 : 130 €/MWh si moins de 2800 h/an

: 130 à 90 de 2800 à 3200 h/an: 130 à 30 de 3200 à 3900 h/an

: 30 au delà de 3600 h/an

Crédit d’impôt sur l’investissement: 40%

Coûts Bénéfices en France•Limite puissance totale: 30% de la puissance réseau

Soit 25 GWe•Rendement maxi:30%•Energie Max délivrée: 10% soit 50 TWh (5 EPR)•Thermique évité: 5Twh (soit 0.5 EPR)•Coût 25 Geuros, soit entre 8 et 9 EPR•Surcoût de l’électricité produite: 3 G€/an•Production nucléaire: 13 G€/an

Biomasse

Production mondialePRODUCTION ANNUELLE :

172 milliards de tonnes sèches Soit 15 fois l'énergie fossile consommée

68% Forêts

2/3 16% Savanesprairies

8% Cultures

90% Algues microscopiques

1/3 (phytoplancton) Manque substrat solide et sels minéraux

10% Macrophytes

QUANTITÉ STOCKÉE : 1800 milliards de tonnes sèches

Soit énergie équivalente à réserve fossile connue

Stock1 800 Gigatonnes Le flux de matière :• 570 Gt/an (humide) • 170 Gt/an (sec)• 100 Gtep/an .prélèvements humains:alimentation : 2,1 Gtep matériaux : 0,4 Gtep énergie : 1,3 Gtep(1,1 Gtep dans les PVD sous forme de bois de feu). total : 3,8 Gtep, 6 p. 100.

Potentiel réaliste mobilisable

Monde2,23 Gtep dont 1,6 forestier (Monde)Total possible (énergie): 3,53 Gtep Europe (15):

•Forestier: 63 Mtep•Herbacé: 20 Mtep•Plantes énergétiques: 52 MtepProduction actuelle: 37 MtepTotal: 172 Mtep (12% consommation)

Rendementsrendement annuel : 2 t/ha à 20 t/ha, Colza: 3t/ha Blé: 9t/ha

3,6 à 7,2 tep/ha , 40 à 80 Mwh/ha. rendement de la biomasse : 0.2 à 0.5%. rendement électrique maximum : 0.2 %. Une centrale produisant 7 Twh/an : 2500 km2. Surface emblavée en France : 45000 km2= 20 centrales

Bio-carburants

• Bio-gaz: 0,05 E/kWh sur place, bois gratuit• Bio-carburants: 0,5E/litre

– Rendements énergétiques:• Bio-éthanol: 1,2 à 1,5• Ester de Colza: 2

• Programme OPECST:40000 km2=10 Mtep Mais rejets GES? (prairies, engrais….)

Inventaire

Filieres de transformation energetique de la biomasse

Investissement élevérejets mal contrôléspetites unités

•COMBUSTION

•FERMENTATIONS

•GAZEÏFICATION

grosses unités

Méthanisation(algues,déjectionsanimales,ordures ménagères)Alcoolique(saccharifères,amylacés)

Présence d'azote + acides et goudrons température ≤ 650°C d'ou cogénération limitée à30% élec/70% chaleur50 à 60% CH430 à 40% CO2

Plante utilisée à 50%Distillationconsomme énergie

Indice 1,2 à 1,4

Tous végétaux à 100%Indice 2,8 à 3

Matièresligno-cellulosiques

Besoins en eau de la biomasse*

Il faut 10 000 m3 d’eau pour produire 1 tep (céréales, oléagineux, betteraves)

En doublant le sur-pompage actuel (160 milliards m3)on ne produirait que 18 Mtep !

L’eau est le facteur le plus limitatif pour les biocarburants !

La dépense en énergie pour le pompage (hauteur supposéede 10 m) est de 0,12 tep par tep produit ; à cela, il faut ajouter les autres consommations d’énergie (engins, transport, transformation…)

2004 Source : Bacher-Lester Brown

Solaire

Densité

• Puissance du rayonnement solaire perpendiculaire aux rayons : 1 kW/ m2.

• Utilisable (Var) : 1800 kwh/m2/an

• rendement photovoltaïque de 15% : 270 kwh/m2

• Chauffage solaire: 500 Kwh/m2

Effets jour-nuit, été-hiver, nuages

Données de baseDonnées de base

•• Une cellule délivre un courant continu (0,8VUne cellule délivre un courant continu (0,8V--1Wc) 1Wc) proportionnel à l’éclairement reçuproportionnel à l’éclairement reçu

•• Un assemblage «Un assemblage « série / parallèlesérie / parallèle » donne les courants et » donne les courants et tensions souhaités : tensions souhaités : typique 12Vtypique 12V--50Wc50Wc

•• Un module photovoltaïqueUn module photovoltaïque (typique 0,4 m²(typique 0,4 m²) délivre :) délivre :–– environ 40W en plein soleil (rendement 10%)environ 40W en plein soleil (rendement 10%)–– entre 120 et 180 entre 120 et 180 WhWh par jour, ou 50 kWh par anpar jour, ou 50 kWh par an

•• Un module coûte Un module coûte (en quantité)(en quantité) : 150 : 150 EuroEuro soit 3 soit 3 EuroEuro//WcWc•• Stockage associé : 50 à 150Ah, soit 5 à 15 joursStockage associé : 50 à 150Ah, soit 5 à 15 jours

Les technologies actuelles du Les technologies actuelles du solaire photovoltaïquesolaire photovoltaïque

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1995

1997

1999

2001

2003

Si rubanCISCdTeSi ASi MultiSi Mono

•• Le silicium cristallin : Le silicium cristallin : domine, avec 83% du marchédomine, avec 83% du marché

•• Le Le multicristallin multicristallin : croît plus : croît plus vite que le vite que le monocristallinmonocristallin

•• Le silicium amorphe : 40% Le silicium amorphe : 40% sert aux calculatrices, etc..sert aux calculatrices, etc..

•• Le Le CdTe CdTe et le CIS ont encore et le CIS ont encore une part limitéeune part limitée

•• Le Le AsGa AsGa est utilisé en spatialest utilisé en spatial

Les principaux producteurs Les principaux producteurs (production 2004 : 1260 (production 2004 : 1260 MWcMWc))

Sociétés Pays Tech Prod.(croissance/03) Sharp Japon xSi 324 MW (64%) Kyocera Japon XSi 107 MW (46%) BP solar G.B. XSi,Si 85 MW (22%) Mitsubishi Japon Si 75 MW (79%) Qcells Allem. Si 74 MW (166%) Shell solar USA-NL xSi 72 MW (16%) Sanyo France xSi 65 MW (86%) RWE USA/DE xSi 63 MW (43%) Isophoton Esp. xSi 53 MW (51%) ..n°12

Photowatt

France

xSi

28 MW (68%)

Evolution du prix des modulesEvolution du prix des modules

• Prix de vente actuel : 2,75 à 3€ /Wc• Objectif : division par 2 sous 10 ans, et 4 avec

break technologique sous 25 ans

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 20120

1

2

3

4

5

6

7

Marchéannuel

Prix devente

Exponentiel (Prix devente)

FFacteurs acteurs TechnicoTechnico-- économiqueséconomiques Raccordé Autonome

Eléments prix du kWh

Prix module Durée de vie Taux argent Substitution

Idem + Stockage

Substitution Taux :

Toît, façade 10 à 100%

Service, Réseau >100%

Prix mini kWh Problème n°1

0,3 Euros Module Intégration

1,5 Euros Stockage ρ utilisation

LES COÛTS DES SYSTEMES LES COÛTS DES SYSTEMES AUTONOMESAUTONOMES

Répartition de l ’investissement initial

Répartition des coûts sur le cycle de vie

Module PVBatterieRégulationAutres

Les modules représentent : 2/3 de l ’investissement initial,

1/3 des coûts complets

Les applications de l’électricité Les applications de l’électricité solaire photovoltaïquesolaire photovoltaïque

•• En sites isolésEn sites isolés–– Les applications professionnelles (balises, Les applications professionnelles (balises,

télécommunications, mobilier urbain)télécommunications, mobilier urbain)–– L’électrification rurale, dans les pays industrialisés L’électrification rurale, dans les pays industrialisés

(les écarts) et dans les pays en développement(les écarts) et dans les pays en développement

•• En couplage sur un réseau électriqueEn couplage sur un réseau électrique–– Les systèmes individuels : 1 à 10 kWLes systèmes individuels : 1 à 10 kW–– Les centrales de puissance : 100 kW à 10 MW Les centrales de puissance : 100 kW à 10 MW (long(long

terme)terme)

LeLe marché mondialmarché mondial :• Croissance ≥ 25 % par an, • Environ 120 MW en 1997, 200 MW en 1999,270 MW en 2000

• Répartition en 4 segments (données 1999) :

Appareilsportables

Electrificationdomestique

Electrificationprofessionnelle

Couplageréseau

Le marché des applications Le marché des applications en sites isolésen sites isolés

• Les applications professionnelles• L’électrification rurale décentralisée :

2,5 milliards d ’habitants sont sans électricitéProgrammes :– Solar Initiative (Banque Mondiale) : 1 million d’installations

en cours. 400 millions à réaliser à 220 € : 90 G€– CEE : « Power for the World »

10 W/personne, 10 GW, 7 €/W, 75 G€Le coût du PV pour l’usager est équivalent à celui aujourd’hui des

piles chimiques, batteries, kérosène pour lampe pour un service bien meilleur.

Futur du photovoltaïque Futur du photovoltaïque autonomeautonome

• Petite ou grande part des nouveaux marchés des Pays en Développement :

• Multiplication des applications dans la vie courante : matériels portables, réseau domestique de sécurité, électroniques variées…

• Multiplication des intégrations (plastique, tissus, etc…)

Conclusion : Points clés du Conclusion : Points clés du photovoltaïquephotovoltaïque

•• Imbattable en terrain vierge pour Sur réseau : sera un jour le toit standard ?⇒⇒En PED : sera l’énergie standard ?En PED : sera l’énergie standard ?

Le solaire thermiqueLe solaire thermiqueLe marché de la chaleur est important

Exploitation passive : architectureExploitation passive : architecture(10% d’économie pour l’Europe en 1990)Capteurs solairesCapteurs solaires(eau chaude sanitaire, planchers chauffants)Environ 4 à 5 m2 de capteurs pour produire l’eau chaude sanitaire d’une famille de 4 personnes

2000 Source : NGÔ CEA

Cas pratique: PV•PV 15m2, 2 kWc, 2000 kWh•Prix total : 19000 €•Prix cellules: 6000 €•Crédit d’impôt: 8000 €•Subventions(?): 5000 €•Coût net: 6000 €•Revenu: 2000kWh*0,55€=1100 €/an•Retour: 5,5 ans•CO2 évité -113 kG/an

Cas pratique: solaire thermique•Maison 120 m2 sur 2 étages•Besoin total ECS+chauffage=25500 kWh•Capteur: 12 m2•Prix: 1150 €/m2 Total: 13800 €•Crédit d’impôt: 6000 €•Subventions: 800 €•Coût net: 7000 €•Production capteurs: 6800 kWh/an•Economie: gaz: 238 € fioul: 340 €•Retour: gaz: 29 ans fioul: 21 ans•CO2 évite: gaz 1,4 tonnes fioul: 2,1 tonnes

Cas pratique: isolation

•Pose de doubles fenêtres: 8185 €•Crédit d’impôt: 2159 €•Coût: 6026•Economies de gaz (10000 kWh): 350€/an•Retour: 17 ans•CO2 évité:

•Fioul: 5 tonnes•Gaz: 3,5 tonnes•Electricité: 0,53 tonnes

Electricité effaçable•Consommation gaz: 20000 kWh•Coût: 556 €/an•Remplacement par électricité effaçable•Gaz restant: 2000 kWh=56 €/an•Electricité(gain d’efficacité)=13000 kWh•Coût électricité: 13000*0,06=780 €/an•Surcoût annuel: 280 €•Gain CO2: 7 tonnes•Prix CO2 évité: 0,04 €/kg

Récapitulation Tableau

Prix du kWh CO2 évité/kWhCollectivité g/kWh

PV France 1,19 0,00Thermique 0,10 224,00Isolation 0,02 224,00PV Europe 1,19 440,00

Récapitulation Graph

Isolation

Thermique

PV France

PV Europe

050

100150200250300350400450500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4Prix collectivité €/kWh

CO

2 év

ité k

g/kW

h

Coûts

Investissements

Production de 7 Twh/an (un réacteur de 1 Gwe•Gaz= 0,5 GEuros•Nucléaire= 1,5 GEuros•Eolien= 3,8 GEuros•Solaire= 15 GEuros

Coûts totaux internes

821

48

75

05

8

3

8

12

18

14

8

14

49

0

20

40

60

80

100

120

NUCL CHAR GAZ PETR EOL

INVESTIS

EXPLOITCOMBUS

Coûts totaux (externes+internes)

31 37

97

59 613

53

46

15 2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

NUCL CHAR PETR GAZ EOL

EXTERNES

INTERNES

Les énergies décarbonéesEnergies sans rejets de CO2Energies sans rejets de CO2I. Capture et stockage du CO2Fossiles sans CO2Fossiles sans CO2Energies renouvelablesLe potentiel annuel mondial des énergies renouvelables raisonnablement mobilisable actuellement (en MTEP)Disponibilité de la ressourceHydroélectricitéAvantagesProblèmesActifsPotentielcarteExemplesStepTurbines3G Turbine3G BarragePhotoEOLIENEolien/fossiles: contribution 2005 à la production d’électricité et évolution 2005/2004Les éoliennes off shore modernesRendementParcs éoliensPuissance éolienne E-ON sur un an (max théorique: 7.558 MW)Puissance éolienne délivrée: détailFiabilité de prévision de la puissance éolienneEolien en France: un bon investissement? Pour qui?Coûts Bénéfices en FranceBiomasseProduction mondialeStockPotentiel réaliste mobilisableRendementsBio-carburantsInventaireFilieres de transformation energetique de la biomasseBesoins en eau de la biomasse*SolaireDensité de puissances solaireEffets jour-nuit, été-hiver, nuagesDonnées de baseLes technologies actuelles du solaire photovoltaïqueLes principaux producteurs (production 2004 : 1260 MWc)Evolution du prix des modulesFacteurs Technico- économiquesLES COÛTS DES SYSTEMES AUTONOMESLes applications de l’électricité solaire photovoltaïqueLe marché mondial :Le marché des applications en sites isolésFutur du photovoltaïque autonomeConclusion : Points clés du photovoltaïqueLe solaire thermiqueCas pratique: PVCas pratique: solaire thermiqueCas pratique: isolationElectricité effaçableRécapitulation TableauRécapitulation GraphCoûtsInvestissementsCoûts totaux internesCoûts totaux (externes+internes)